我国冲击地压理论、技术与标准体系研究

齐庆新，李宏艳，邓志刚，赵善坤，张宁博，毕忠伟

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3. 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

综 述

我国冲击地压理论、技术与标准体系研究

齐庆新1，2，3，李宏艳1，2，3，邓志刚1，2，3，赵善坤1，2，3，张宁博1，2，3，毕忠伟1，2，3

(1.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013；2.煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院)，北京 100013；3. 北京市煤矿安全工程技术研究中心，北京 100013)

基于煤矿冲击地压灾害发生的特点，分别从冲击地压的机理、监测预警技术、基于应力控制的冲击地压解危技术、标准体系等方面阐述近年来冲击地压灾害防治的重要进展，在此基础上分析冲击地压机理与防治技术存在的问题，提出今后煤矿冲击地压灾害研究的科学问题，指出冲击地压防治技术的发展方向。

冲击地压；标准体系；监测预警；应力控制；防治技术

冲击地压是威胁煤矿安全生产的主要灾害类型之一，它不仅导致作业空间煤岩体剧烈破坏，还可能引起瓦斯异常涌出、瓦斯爆炸、煤粉爆炸、冒顶等二次灾害。冲击地压机理以及防控技术的研究仍然方兴未艾。本文将近几年我国冲击地压机理、防控技术及标准进行总结，并提出未来发展的方向，以促进世界煤矿安全防治的创新发展。

1 冲击地压灾害现状

随着煤矿的开采，其重心逐渐向深部转移，煤岩体在高地应力、高地温、高岩溶水压的影响下，冲击地压等煤岩动力灾害发生的频度和强度明显增加，冲击地压矿井的数量明显增多。据不完全统计，截至2016年，煤矿冲击地压矿井的数量已超过160对。2014年，国家安监总局组织多家单位对我国冲击地压矿井进行了系统调研，总结发现我国冲击地压灾害具有以下特点。

(1)冲击地压事故的频度和强度增大 国有煤矿冲击地压矿井有142座，随着煤矿开采深度不断增大，截止到2015年底，开采深度超过1000m的煤矿已达到47座，冲击地压事故的频度和强度具有增加的趋势。如义煤集团千秋煤矿，在2008-2013年期间就发生了2次重大冲击地压事故，一次发生在2008年6月5日，另一次发生在2011年11月3日，造成400多米巷道破坏。

(2)冲击地压诱发次生灾害增多 由于大采深、高围压、强采动的影响，煤岩介质在原岩应力场、采动应力场和瓦斯压力场共同作用下，导致煤岩动力灾害性质的改变，由原来单一类型动力灾害事故向耦合型煤岩动力灾害转变，这类灾害在逐渐增多。如芦岭煤矿冲击地压诱发瓦斯爆炸事故；辽宁阜新孙家湾矿冲击地压诱发特大瓦斯爆炸事故。

(3)浅部开采矿井冲击地压事故增多 浅埋工作面也可发生冲击地压，根据单轴抗压强度低于7MPa的煤岩介质不具备发生冲击地压的条件推算，小于埋深280m的煤层一般不会发生冲击地压。冲击地压发生深度接近400m是已被广泛认同的结论性认识。但是，已有几座煤矿在埋深小于280m的条件下发生冲击地压灾害，这和原来对冲击地压的理解有着巨大的差异，例如2011年3月24日，在乌东煤矿北采区发生的冲击地压事故，采深只有160m，是我国采深最浅的冲击地压事故。

(4)冲击地压矿井分布非常广泛 冲击地压主要分布在华北、东北地区，集中分布在4个条带，即北纬26°、北纬34°、北纬39°和北纬42°附近区域的黑、吉、辽、京、冀、豫、鲁、皖、川、黔、湘、赣等12省市，其中辽、鲁、皖、黔等4省市发生冲击地压的煤矿较多。表1统计了当前国有煤矿中冲击地压矿井分布情况。其中山东省冲击地压矿井约占总数的30%，为冲击地压灾害最严重的省份。

(5)冲击地压多发生在巷道 冲击地压的发生地点主要包括回采工作面、掘进工作面和巷道，通过统计分析可知，89个矿中有12个冲击地压事故发生在回采工作面，30个发生在掘进巷道，47个发生在回采巷道，巷道冲击地压约占87%，并且灾害严重[1]。

表1 全国冲击地压矿井统计(国有煤矿)

2 冲击地压机理

冲击地压机理是指冲击地压发生的原因、条件、机制和物理过程，即冲击地压形成的内在规律，它是正确认识煤岩体在一定的地质因素和开采条件下，受外部载荷作用，发生突然破坏的力学过程，是采取针对性措施防止灾害发生的前提和基础。几十年来国内外学者围绕冲击地压发生机理开展了大量的研究工作，提出了刚度理论、强度理论、能量理论，这3个理论是冲击地压发生机理的研究基础，在这些理论的基础上，又先后发展起来冲击倾向性理论、变形失稳理论、“三准则”理论、“三因素”理论、强度弱化减冲理论和冲击启动理论等，随着非线性动力学、断裂力学、损伤力学和分形几何学的发展，又取得了大量新的研究成果。潘一山等[2]用突变理论解释了冲击地压发生的过程及条件；徐曾和等[3]通过分析坚硬顶板条件下煤柱岩爆的特点，建立了冲击地压“尖点突变模型”；潘岳等[4-5]建立了折断式顶板大面积冒落的尖点突变模型并提出了冲击地压的混沌模型；宋维源等[6]提出了冲击地压发生的非线性动力模型，用该模型对冲击地压进行预测预报；朱清安等[7]研究了冲击地压的混沌特性；李洪等[8]通过提取最大Lyapunov指数来作为冲击地压的预测模型；谢和平[9]，李玉等[10]将分形几何学用于冲击地压预测预报和发生机理的研究；齐庆新等[11-13]从煤岩体结构对冲击地压灾害的控制作用出发，通过实验室组合煤岩摩擦滑动失稳试验，提出了冲击地压发生的“三因素”机理。该理论认为，冲击倾向性为煤岩介质的自身属性因素、高应力集中或高能量储存与动态扰动为力源因素、弱面和易引起突变滑动的层状界面为结构因素，三者是导致冲击地压发生的最主要因素。经过近几年的研究，齐庆新等[14]认为除自身属性和结构控制等因素外，能够进行有效控制的因素为力源因素，提出了冲击地压防治的应力控制理论，因此防治冲击地压以应力控制为中心，一方面，煤岩体在开采扰动条件下不具有冲击危险性前，通过区域应力协调转移等措施避免煤岩体形成高应力集中；另一方面，在开采扰动下已经形成高应力集中或冲击危险区域，通过应力释放和转移措施使煤岩体的应力集中程度降低，破坏冲击地压发生的应力条件，达到降低冲击危险防止冲击地压发生的目的。

3 冲击地压监测预警技术与装备

冲击地压的监测预警技术是事故发生前进行预测预报的有效手段之一，预测预报方法大致可分为三类。第一类方法为岩石力学方法，如钻屑法、煤岩体变形参数观测法和应力测量法。岩石力学方法直观、可靠性高、简便易行、并且广泛应用，但劣势是预测工作在时间和空间上不连续，所需时间较长；第二类方法为地球物理方法，如微震监测法、声发射法、电磁辐射法等。这类方法可实现空间与时间上的连续监测，但维护管理较为复杂，抗干扰能力差，数据分析和应力状态判断对使用者要求较高，一般的工程技术人员很难胜任；第三类是经验类比法，根据以往对发生过冲击地压矿井的经验进行总结，用于预测条件相似的矿井的冲击地压，但受人为因素影响较大[15]。

3.1 自震式微震监测预警技术与装备

目前，传统微震监测技术面临的最大问题是震源定位精度比较低，一般定位算法是基于P波在煤岩体中传播速度保持不变的假设而发展起来的，但这种假设与煤岩体是一种非连续非均质介质的本质相差甚远。为了从根本上解决微震监测系统的震源定位精度，煤炭科学研究总院于2012年提出了自震式微震监测技术。该技术通过自激震源产生某一特定频段的微震信号，结合已知位置的拾振器，实时反演出监测区域内煤岩体的波速场，进而提高震源定位精度。

2013年，煤炭科学研究总院研发的第一套自震式微震监测系统——KJ768煤矿微震监测系统获得MA认证。该系统测试结构如图1所示，主要包括微震数据采集系统和微震数据分析软件。微震系统采样频率<35kHz；拾震器监测微震波频率范围：1～1500Hz；拾震器灵敏度：110±10%V/m/s；震源定位误差<8.5m。

图1 KJ768煤矿微震监测系统结构

跃进煤矿23070工作面开采过程中冲击动力显现频繁，2014年8月开始，该工作面采用KJ768煤矿微震监测系统冲击地压监测预警。现场测点布设如图2所示，为避免周围采空区对微震波传播的影响，在进风巷和回风巷分别安装KJ768-F本安型微震监测分站1台，分别安装拾震器8台。

图2 KJ768微震监测系统平面布置示意

KJ768微震监测系统在跃进矿23070工作面监测以来，先后26次对工作面开展了冲击地压预警，其中3次强冲击危险预警，9次中等冲击危险预警，14次弱冲击危险预警，通过实施解危措施，降低工作面冲击危险性，确保23070工作面的安全回采。

3.2 应力在线监测预警技术与装备

冲击地压发生的根本原因是在地应力和采动应力综合作用下形成了高度的应力集中，采动应力受采掘工作面的动态改变而不断变化，因此可以通过煤岩体应力的长期在线监测来实现冲击地压的预警。自1987年以来，煤炭科学研究总院开采设计研究分院长期致力于该类应力计的研发与应用，随着设计理念及加工工艺的改进，先后研制出KS-1，KSE-Ⅱ-1，KSE-Ⅲ型钻孔应力计，在众多矿区推广应用。

在早期采动应力监测系统的基础上，结合冲击地压发生机理及特点，煤炭科学研究总院开发了KJ21型冲击地压应力在线监测系统，该系统主要包括井下煤岩体应力监测装置、数据传输网络、显示平台、冲击地压预警软件等部分，其结构如图3所示。

图3 KJ21冲击地压应力在线监测系统结构

龙家堡煤矿是典型的冲击地压矿井，2015年2月，该矿409工作面即将回采到停采线附近的应力集中区。为实时把握该区域冲击危险性，在409进风巷安装KJ21冲击地压应力在线监测系统。随着工作面不断推进，采动应力变化明显。其中，离工作面最近(距巷口86m)的1号应力计压力从5MPa上升到9MPa，上升了80%；距巷口124m的5号应力计压力从5.5MPa上升到11.5MPa，上升了101%；距离巷口174m的11号应力计压力从5.5MPa上升到最高25MPa，上升了355%。11号应力计监测数据如图4所示。

图4 11号钻孔应力计应力曲线

11号应力计于2月10日发出黄色预警，龙家堡煤矿及时采取了爆破卸压等解危措施，11号应力计应力值从24.9MPa下降至8MPa，409工作面煤体压力得到释放，起到了显著的消冲作用。

4 冲击地压防治技术及实践

高应力是煤岩结构体发生冲击失稳的必要条件，根据煤岩结构体应力性质的不同，建立了“顶板—煤层”结构体为主体，以应力控制为中心的“顶板—煤层”结构体应力控制防冲技术体系见图5，包括区域应力协调技术及局部应力控制技术。

图5 多场应力控制防冲技术体系结构

区域应力协调技术以“协调应力，疏导卸压”为主导思想，主要通过合理设置工作面的接替顺序、优化区段煤柱的留设宽度、巷道断面尺寸及布置方式的手段，避免产生开采区域大面积的高应力集中。而随着保护层开采范围的增大，被保护层煤层的高应力得到释放，使煤层的开采处于相对较低的应力水平，从根本上控制“顶板—煤层”结构体的高应力状态，避免冲击地压的发生。

局部应力控制技术以“转移释放，临危消冲”为主导思想，对于已具有冲击危险的区域，采用大钻孔卸压、煤层卸压爆破、超前深孔顶板预裂爆破和断底爆破等卸压手段，将冲击危险区的高应力释放或向煤体深部转移，实现冲击地压的有效防治。

4.1 煤层卸压爆破技术

针对自重应力型冲击地压采用煤层卸压爆破手段，因巷帮高应力与能量积聚位置主要集中在两帮煤体或其中一侧，通过爆破对帮部煤体进行卸压来消除或降低冲击危险，卸压后的两帮浅部煤体受压程度降低，峰值位置向深部移动，上覆岩层的自重应力转由深部强度更高的煤体承载，如图6所示。

图6 重力型冲击煤层爆破卸压示意

4.2 超前深孔断顶预裂爆破技术

超前深孔顶板预裂爆破在工作面两巷向煤体上方高应力集中区打孔，并实施爆破。一种在顶板岩层内部且无爆破自由面的爆破方式，其核心在于充分利用爆炸产生的动压“震裂”效应和静压爆生气体的“气楔”作用，使顶板产生预裂隙，破坏结构的整体性，但并非崩落式爆破，破坏应力连续传递和能量积聚的条件，同时随着工作面推进，使顶板在超前支承压力及支架初撑力作用下及时垮落，降低应力集中程度。其施工位置多布置于工作面前方工作面两巷的超前支承压力影响范围内，峰值位置处应重点进行爆破卸压，如图7所示。

图7 超前工作面上下巷煤层倾向深孔预裂顶板爆破示意

4.3 断底爆破技术研究

断底爆破主要是针对构造应力型为主的冲击地压，在较高的水平构造应力作用下，巷道底板产生较大的压缩弯曲变形，在一定条件下容易发生屈曲破坏，进而诱发冲击地压的发生。针对弹性能积聚的层位进行爆破，可降低其弹性能大小和再次积聚弹性能的效率，促使其缓慢释放外部应力引起的变形。巷道底脚在两帮垂直应力和底板水平构造应力的共同作用下，应力集中程度较高。爆破形成的松动区不仅可以对底板内的水平应力起到缓冲垫层的作用，还可以对上覆岩层的高应力向底板岩层连续传递起到阻隔作用。对于底板冲击地压较为严重的巷道，常将断底爆破和巷帮煤层爆破卸压相结合使用，如图8所示。

图8 断底爆破卸压示意

4.4 钻孔卸压技术

钻孔卸压技术是受钻屑法施工过程中产生的冲孔现象启发而产生的一种应力控制冲击地压防治方法。在冲击危险区钻孔，钻孔直径大于95mm，钻孔附近区域煤体力学性质发生弱化，钻孔周边处于二向应力状态的煤体发生破坏，由此降低了煤层的脆性和煤层弹性能的积聚能力，直径较大的钻孔为煤体内部高应力的释放提供了空间，降低此区域应力集中程度或使高应力向煤体深部转移，使可能发生的煤体不稳定破坏过程变为稳定破坏过程，实现对局部煤岩体高应力状态的缓解。

4.5 水压致裂技术

水压致裂技术是通过向煤体封闭空间注入高压水，使岩体中原有裂纹张开和扩展。该技术有两项主要功能，一是通过增加煤岩体裂隙进而破坏其整体强度，二是水对煤体的软化作用，二者共同改变煤岩体的物理力学性质，减弱甚至消除煤层冲击危险性。在煤岩体中打孔实施水压致裂，钻孔受力见图9，其受力状态受地应力、注入钻孔内的水压力以及高压水渗滤等的影响。

图9 水压致裂孔壁受力示意

5 我国冲击地压法律、法规与标准

我国现有冲击地压法律、法规包括：1987年煤炭部颁布实施的《冲击地压煤层安全开采暂行规定》和《冲击地压预测和防治试行规范》；国家安全生产监督管理总局经过7次修订颁布实施的2016版《煤矿安全规程》中第三编第五章冲击地压防治；《煤炭生产技术与装备政策导向》中井工防冲击地压部分，还包括各地方省矿务局颁布实施的《冲击地压防治规定》以及各矿井制定的相应冲击地压矿井安全生产管理条例等。

目前已执行的国家标准包括：《冲击地压测定、监测与防治方法》第1部分：顶板岩层冲击倾向性分类及指数的测定方法，第2部分：煤的冲击倾向性分类及指数的测定方法。已批复制定的国家标准包括：《冲击地压测定、监测与防治方法》第3部分：煤岩组合试件冲击倾向性分类及指数测定方法，第4部分：微震监测方法，第5部分：地音监测方法，第6部分：电测辐射监测方法，第7部分：钻屑监测方法，第8部分：采动应力监测方法，第9部分：煤层注水防治方法，第10部分：煤层钻孔卸压防治方法，第11部分：煤层卸载爆破防治方法，第12部分：开采保护层防治方法，第13部分：顶板深孔爆破防治方法，第14部分：顶板定向水力压裂防治方法。

6 结论及展望

6.1 结 论

(1)通过对我国冲击地压矿井的调研发现我国冲击地压灾害具有事故频度和强度大、诱发次生灾害多、浅部事故多、分布广泛和巷道冲击居多的特点。

(2)冲击地压机理众说纷纭，但冲击地压问题应归结于煤岩体应力问题，防治冲击地压应以控制应力为中心。

(3)冲击地压的监测预警方法众多，通过KJ768自震式微震监测系统和KJ21应力在线监测系统的研发与应用，可以实现矿井冲击地压危险的有效预测预报。

(4)以应力控制为中心，提出了“顶板—煤层”结构体的应力控制防冲技术体系，包括区域应力协调技术及局部应力控制技术。

(5)我国充分重视煤矿冲击地压灾害防治，制定了多条冲击地压法律、法规与标准。

6.2 展 望

(1)冲击地压机理的研究还需进一步突破，需要对冲击地压等煤岩灾变破坏进行重新认识，冲击地压事故之所以发生，是因为煤岩层在开采扰动下失去了原有的平衡，煤岩体进行再变形、再破坏的过程。要弄清楚冲击地压事故发生的机制，必须弄清楚煤岩自身属性、煤岩结构与环境应力3种控制因素在灾害孕育、发生、发展过程中的控制机制。

(2)冲击地压预警技术与手段较多，冲击地压灾害类型较多，针对不同的冲击地压类型采用不同的监测手段与预警技术，在监测装备上需要增强系统的稳定性和精确性，提升设备自身的精度；在预警技术层面，对预警模型的研究需进一步加强，尤其是如何对监测数据进行有效分析，利用大数据等分析手段，提升预警的准确性。

(3)冲击地压灾害解危技术的发展主要集中于复杂条件下冲击地压的解危技术，尤其是在解危技术的工艺设计、成本控制以及新的解危手段上的创新方面。

[1]潘俊锋，毛德兵，蓝 航，等，我国煤矿冲击地压防治技术研究现状及展望[J].煤炭科学技术,2013，41(6):21-25.

[2]潘一山，章梦涛.用突变理论分析冲击地压发生的物理过程[J].阜新矿业学院学报，1992，11(1)：12-18.

[3]徐曾和，徐小荷，唐春安.坚硬顶板下煤柱岩爆的尖点突变理论模型[J].煤炭学报，1995，20(5)：23-28.

[4]潘 岳，耿厚才.“折断式”顶板大面积冒落的尖点突变模型[J].有色金属，1989，41(4)：19-26.

[5]宋维源，潘一山，苏荣华，等.冲击地压的混沌学模型及预测预报[J].煤炭学报，2001，26(1)：26-30.

[6]宋维源，潘一山，沈连山.冲击地压的非线性动力反演及预报问题[J].辽宁工程技术大学学报，1999(5)：500-503.

[7]朱清安，史 蒙.冲击地压的混沌特性及动力模型研究[J].辽宁工程技术大学学报，2001，20(1)：40-42.

[8]李 洪，戴仁竹，蒋金泉.基于最大Lyapunov指数的冲击地压预测模型[J].采矿与安全工程学报，2006，23(2)：215-219.

[9]谢和平，PariseauWG.岩爆的分形特征及机理[J].岩石力学与工程学报，1993，12(1)：28-37.

[10]李 玉，黄 梅，廖国华.冲击地压发生前微震活动时空变化的分形特征[J].北京科技大学学报，1995，17(1)：110-116.

[11]齐庆新，史元伟，刘天泉.冲击地压粘滑失稳机理的实验研究[J].煤炭学报，1997，22(2)：144-148.

[12]齐庆新，高作志，王 升.层状煤岩体结构破坏的冲击矿压理论[J].煤矿开采，1998(2)：14-17.

[13]齐庆新，刘天泉，史元伟，等.冲击地压的摩擦滑动失稳机理[J].矿山压力与顶板管理，1995(4)：174-177.

[14]齐庆新，李晓璐，赵善坤，等.煤矿冲击地压应力控制理论与实践[J].煤炭科学技术，2012，41(6)：1-5.

[15]鞠文君，潘俊锋.我国煤矿冲击地压监测预警技术的现状与展望[J].煤矿开采，2012，17(6)：1-6.

[责任编辑：王兴库]

Studying of Standard System and Theory and Technology of Rock Burst in Domestic

QI Qing-xin1，2，3， LI Hong-yan1，2，3，DENG Zhi-gang1，2，3，ZHAO Shan-kun1，2，3，ZHANG Ning-bo1，2，3，BI Zhong-wei1，2，3

(1.China Coal Research Institute，Beijing 100013，China;2.State Key Laboratory of Coal Resource High Effective Mining & Clean Utilization(China Coal Research Institute)，Beijing 100013，China；3.Beijing Coal Mine Safety Engineering Technology Center，Beijing 100013，China)

Based on rock burst disaster characters of coal mine，some important development of rock burst disaster control were stated form the following sides，which include rock burst mechanism，rock burst monitoring and early warning technique，rock burst disaster released technique based on stress control，rock burst standard system and so on，the problems of rock burst mechanism and control technique were analyzed，some science problems of coal mine rock burst disaster control were put forward，and the development direction of rock burst control was put forward.

rock burst；standard system；monitoring system early warning；stress control；control technique

2016-12-09

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.01.001

国家自然科学基金项目(51674143)；国家重点基础研究发展计划( 973 计划) 项目( 2010CB226806)；国家科技重大专项项目(2011ZX05040-002)；国家国际科技合作专项项目(2011DFA61790)

齐庆新(1964-)，男，吉林九台人，博士后，研究员，主要从事冲击地压理论与防治技术研究。

齐庆新，李宏艳，邓志刚，等.我国冲击地压理论、技术与标准体系研究[J].煤矿开采，2017，22(1)：1-5，26.

TD324

A

1006-6225(2017)01-0001-05